Литейные латуни. 
Литейные сплавы на основе тяжелых цветных металлов

Латунями называют сплавы меди, в которых основным легирующим элементом является цинк. Латуни подразделяют по составу на двойные (простые) и специальные (многокомпонентные), содержащие добавки Fe, Mn, Ni, Si, Sn, Pb. По способу использования латуни делятся на деформируемые и литейные. В табл. 2.1 приведены марки литейных латуней, выпускаемых промышленностью России, а также их аналоги по национальным стандартам США, Германии и Японии.

Таблица 2.1

Марки литейных латуней по национальным стандартам.

Окончание табл. 2.1

Латуни дешевле большинства литейных бронз и поэтому широко применяются в промышленности для изготовления отливок. Маркируются латуни буквой «Л» и цифрами, показывающими содержание легирующих элементов, например ЛЦ23АбЖЗМц2.

Базовая диаграмма состояния системы Си—Zn приведена на рис. 2.1.

В этой системе имеется необычная зависимость растворимости цинка в меди от температуры. При температуре 902 °C она составляет 32,5%, а с понижением температуры растворимость увеличивается до 39% при 454 °C. При дальнейшем понижении температуры растворимость цинка мало меняется. Для оценки фазового состава латуней используют значение предельной растворимости цинка в твердой меди (39%). В соответствии с фазовым составом различают однофазную а-латунь, двухфазную — (а+|3)-латунь и (3-латунь.

Рис. 2.1. Диаграмма состояния системы Си—Zn.

Механические свойства латуней определяются свойствами фаз. Фаза, а — мягкая, малопрочная, но высокопластичная. Высокотемпературная P-фаза также достаточно пластичная (неупорядоченная). При температуре ниже 454…468 °С (3-фаза переходит упорядоченное состояние (3 -«(3'. Зависимость механических свойств латуней от содержания цинка представлена на рис. 2.2.

В соответствии со свойствами фаз в системе Си—Zn а-латуни — высокопластичные, их прочностные свойства низкие, а (3-латуни — твердые и прочные сплавы, но отличаются высокой хрупкостью. В двухфазных (а+|3)-латунях с увеличением содержания |3-фазы в структуре прочностные свойства повышаются, а пластичность снижается. В сплавах двойной системы Си—Zn по мере увеличения содержания цинка о" возрастает от 200 до 300 МПа в однофазной области и до 450 МПа в двухфазной. Относительное удлинение увеличивается от 30 до 50% и проходит через максимум в сплавах, содержащих 30% Zn, а затем резко снижается из-за появления фазы Р'.

Рис. 2.2. Зависимость механических свойств латуней от содержания цинка.

О структуре многокомпонентных латуней можно судить по диаграммам состояния соответствующих тройных, четверных и более сложных систем. На практике часто для определения ожидаемой структуры в качестве первого приближения исходят из представления о так называемых коэффициентах замены цинка — коэффициентах эквивалентности (правило Гийе).

Экспериментально установлено, что добавки третьего компонента сдвигают границы аи (а+|3)-областей. Добавляемый элемент действует на структуру латуней так же, как и сам цинк, но эффект от добавки 1% этого элемента будет иной. Обычно принимают следующие значения коэффициентов эквивалентности для указанных выше добавок: Si — 10…12; А1 — 4…6; Sn — 2; Pb — 1; Fe — 0,9; Мп — 0,5 и Ni — 1,3. Каждый из этих коэффициентов показывает, сколько процентов цинка структурно может заменить один процент добавляемого металла. В общем случае содержание цинка можно определить по формуле.

где, А — действительное содержание цинка в сплаве, %; В — содержание меди, %; С, — количество добавляемого клатуни элемента, %; К, — коэффициент эквивалентности.

Только один элемент — никель расширяет a-область. Если добавлять никель к (а+(3)-латуням, то при определенном его содержании (3-фаза исчезает и сплав по структуре становится однофазным.

Сплавы системы Си—Zn кристаллизуются в узком температурном интервале (50…60 °С). Этот факт во многом определяет их литейные свойства. Из-за малого интервала кристаллизации латуни обладают хорошей жидкотекучестью и позволяют получать плотные отливки с небольшой пористостью. Линейная усадка латуней выше, чем у оловянных бронз, и составляет 1,6…2%. Узкий интервал кристаллизации литейных латуней определяет склонность к образованию столбчатой структуры и малую склонность к ликвационным явлениям.

Цинк, имея низкую температуру кипения и высокую упругость пара, частично испаряется во время плавки и оказывает раскисляющее воздействие на латуни. Благодаря тому, что при плавке на поверхности расплава образуется пленка оксида цинка, латуни имеют небольшую склонность к газонасыщению, что способствует получению плотных отливок, способных выдерживать давление 30…40 МПа. Литейные латуни — это, как правило, многокомпонентные латуни (табл. 2.2). Комплексное легирование позволяет улучшить не только их механические свойства и коррозионную стойкость, но и литейные свойства.

Кремний повышает механические свойства сплавов и жидкотекучесть. Алюминий повышает прочностные свойства, коррозионную стойкость и жидкотекучесть. Марганец аналогично алюминию влияет на прочность и коррозионную стойкость, несколько снижает жидкотекучесть. Добавки железа измельчают, как и в случае бронз, кристаллы a-фазы. Железо вводится, как правило, в латуни с высоким содержанием цинка.

Добавка свинца улучшает главным образом антифрикционные свойства латуней и обрабатываемость резанием. Специальные литейные латуни отличаются хорошими механическими, технологическими и коррозионными свойствами (табл. 2.3, 2.4). Для изготовления отливок могут применяться способы литья в песчаные формы, кокиль, центробежное литье, литье под давлением.

Химический и фазовый состав литейных латуней

оо оп.

2. Литейные латуни.

GO.

ON.

2. Литейные латуни.

Примечание: 1. Цинк — остальное. 2. Примеси, не указаннные в табл., учитываются в общей сумме примесей. 3.

По требованию потребителя содержание свинца в латуни марки Л Ц40 Сд допускается 1,2 …2,0 мае. %. 4. В латуни марки Л Ц16 К4 по согласованию изготовлителя с потребителем допускается содержание алюминия до 0,1 мае. % при изготовлении деталей, не требующих гидравлической плотности. 5. В латуни марки Л Ц40 МцЗЖ, применяемой для отливки гребных винтов, содержание меди должно быть 55 …58 мае. %, алюминия — не более 0,8 мае. %, свинца — не более 0,3 мае. %.

].

2. Литейные латуни Технологические и коррозионные свойства литейных латуней.

Таблица 2.3

Обрабатываемость резанием указана в процентах от обрабатываемости латуни марки ЛС63—3.

Таблица 2.4

Типичные механические свойства литейных латуней.

Окончание табл. 2.4

Многокомпонентные латуни (типа ЛЦ23А6ЖЗМц2 и др.) отличаются высокой стойкостью против износа при работе на трение и применяются для изготовления изделий (подшипников, втулок, вкладышей и т. п.), для которых характерны высокие давления и сравнительно большие скорости вращения.

Механические свойства в значительной степени зависят от способа литья. Лучший комплекс свойств получается при литье в металлическую форму (табл. 2.5). Из латуни Л Ц40Сд отливают втулки, тройники, переходники, сепараторы подшипников методом литья под давлением. Из латуни ЛЦ23А6ЖЗМц2 отливают ответственные детали литьем в кокиль и центробежным способом литья, работающие при высоких удельных знакопеременных нагрузках. Наилучшей жидкотекучестью среди латуней обладает латунь Л Ц16К4, что позволяет получать из нее тонкостенные отливки сложной конфигурации. Из латуней ЛЦ40С, Л Ц16К4 и некоторых других марок получают фасонные отливки сложной формы с хорошим качеством поверхности, которые не требуют механической обработки.

Таблица 2.5

Гарантируемые механические свойства литейных латуней

Окончание табл. 2.5

Основным недостатком большинства латуней по сравнению с бронзами является их пониженная коррозионная стойкость в некоторых средах (морская вода и др.), связанная с обесцинкованием латуней и коррозионным разрушением изделий. Однако имеются марки литейных латуней, например, кремнистая ЛЦ16К4 и др., которые не уступают по коррозионным свойствам бронзам и являются полноправными заменителями коррозионно-стойких бронз. Многокомпонентные литейные латуни с большим количеством (3-фазы склонны к сезонному растрескиванию при наличии остаточных напряжений. Для устранения этого недостатка необходимо проводить низкотемпературный отжиг.

Литейные латуни плавят в индукционных канальных, а также в индукционных тигельных печах на средних и промышленных частотах. Особенностью плавки латуней является высокая упругость паров цинка над жидким металлом. Причем с увеличением температуры упругость паров цинка увеличивается, при этом потери цинка в виде угара достигают 3…5%. Поэтому проведение плавки с максимальным угаром и потерями легирующих компонентов является одним из основных требований при разработке технологии плавки латуней. Образующиеся защитные свойства пленки ZnO на поверхности расплава не высокие, поэтому при плавке используют флюсы. Из жидких флюсов наиболее известным является стекло (mS₂'n Na₂0) с различными разжижающими добавками. Наиболее распространенный флюс следующего состава, %: 60 — NaCl, 30 — Na₂C0₃ и 10 — Na₃AlF₆; древесный уголь с добавками криолита, смеси буры с NaCl и др.

Микроструктура литейной латуни марки ЛЦ23А6ЖЗМц2 (нетравлено; серые включения — y_Fc, матрица — Р-фаза).

Микроструктура литейной латуни марки ЛЦ23А6ЖЗМц2 (травлено; светлые включения — у_1с, матрица — Р-фаза).

Электронное изображение участка шлифа образна литейной латуни марки ЛЦ23А6ЖЗМц2 и карты распределения легирующих элементов на этом участке.

Микроструктура литейной латуни марки ЛЦ23А6ЖЗМц2, снятая во вторичных (SEM) и обратно отраженных (PDBSE) электронах.

Результаты микрорентгеноспектрального анализа фазовых составляющих в структуре литейной латуни марки ЛЦ23А6ЖЗМц2.

Результаты микрорентгеноспектрального анализа фазовых составляющих в структуре литейной латуни марки ЛЦ23А6ЖЗМц2

При плавке литейных латуней в качестве шихтовых материалов применяют металлы промышленной чистоты, а также марочные латуни в виде чушек (ГОСТ 1020—97), лигатуры (табл. 2.6) и отходы собственного производства.

Таблица 2.6

Состав лигатур, применяемых при плавке медных сплавов

При плавке латуней с использованием чушек в разогретую печь загружают чушки и крупные отходы, после расплавления вводят мелкие отходы. Если в шихту допускается стружка, то ее предварительно перемешивают с солевыми флюсами для уменьшения угара. При необходимости проводят подшихтовку чистыми металлами. Тугоплавкие компоненты (Fc, Si, Mn, Ni) вводят в латунь в виде лигатуры на основе меди в период наиболее высокой температуры расплава для лучшего растворения, либо загружают в начале плавки с твердой завалкой. Легкоплавкие компоненты (Al, Sn, Pb) вводят в конце плавки. Готовность сплава оценивают по излому отлитой пробы: если излом мелкозернистый, а на поверхности пробы отсутствуютликвационные наплывы, значит сплав качественный и можно приступать к разливке. Если обнаруживается высокая насыщенность сплава газами, то производят дегазацию, продувая расплав азотом, либо дегазацию перегревом. При плавке латуни Л Ц40С для снижения угара цинка применяют комбинированный покров из древесного угля и криолита.

Кремнистые латуни плавят под флюсом, состоящим из 50% кальцинированной соды и 50% плавильного шпата. Латуни, содержащие алюминий, плавят с теми же предосторожностями, что и алюминиевые бронзы: перед вводом алюминия расплав раскисляют фосфористой медью, не допускается излишнего перегрева расплава, чтобы исключить повышенное окисление, применяют покровные и рафинирующие флюсы, а также продувку инертными газами (азотом или аргоном).